JP6023389B1 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents
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Abstract
棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体は、横断面で見たときに、径方向で二分された半円状部が前記径方向に沿ってずれた形状によって外周部に少なくとも１つの段差部を有するヒータ。
Description
本開示は、例えば燃焼式車載暖房装置における点火用もしくは炎検知用のヒータ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用のヒータ、ディーゼルエンジンのグロープラグ用のヒータ、酸素センサ等の各種センサ用のヒータまたは測定機器の加熱用のヒータ等に利用されるヒータおよびこれを備えたグロープラグに関するものである。
ヒータとして、例えば、特開２００７−２４００８０号公報（以下、特許文献１という）に開示されたセラミックヒータが知られている。特許文献１に開示されたセラミックヒータは、棒状でセラミック製の基体とこの基体中に埋設された発熱素子とを備えている。発熱素子は、軸線方向に延びる一対の棒状の導電部を有しており、この導電部を軸線方向に垂直な断面で見たときの形状が円形状である。
近年、より急速に昇温できるヒータが要求されている。ヒータを急速に昇温するためには、ヒータの発熱素子に大電流を流す必要がある。しかしながら、発熱素子に大電流を流した場合には、発熱素子の一部が局所的に発熱して、発熱素子の一部に大きな熱膨張が生じるおそれがあった。そして、発熱素子に大きな熱膨張が生じることによって、発熱素子とセラミック製の基体との間にクラックが発生してしまうおそれがあった。特に、特許文献１に開示されたセラミックヒータのように発熱素子の断面形状が円形状の場合には、発生したクラックが発熱素子と基体との界面を容易に伝わることから、クラックが周方向に進行してしまうおそれがあった。その結果、発熱素子と基体との間に隙間が生じてしまい、発熱素子に生じた熱が基体に伝わりにくくなってしまうことで、ヒータの長期信頼性が低下してしまうおそれがあった。
ヒータは、棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体は、横断面で見たときに、径方向で二分された半円状部が前記径方向に沿ってずれた形状によって外周部に少なくとも１つの段差部を有する。
また、グロープラグは、上記の構成のヒータであって前記発熱抵抗体が前記セラミック体の一端側に位置しているヒータと、前記セラミック体の他端側を覆うように取り付けられた金属筒とを備えている。
図１に示すように、ヒータ１は、セラミック体２と、セラミック体２に埋設された発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３に接続されてセラミック体２の表面に引き出されたリード４とを備えている。
ヒータ１におけるセラミック体２は、例えば長手方向を有する棒状に形成されたものである。このセラミック体２には発熱抵抗体３およびリード４が埋設されている。ここで、セラミック体２はセラミックスからなる。これにより急速昇温時の信頼性が高いヒータ１を提供することが可能になる。セラミックスとしては、酸化物セラミックス、窒化物セラミックスまたは炭化物セラミックス等の電気的に絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。特に、セラミック体２は、窒化珪素質セラミックスからなることが好適である。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が強度、靱性、絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。窒化珪素質セラミックスからなるセラミック体２は、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３〜１２質量％のＹ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３またはＥｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、０．５〜３質量％のＡｌ２Ｏ３および焼結体に含まれるＳｉＯ２量が１．５〜５質量％となるようにＳｉＯ２を混合し、所定の形状に成形し、その後、１６５０〜１７８０℃でホットプレス焼成することによって得ることができる。セラミック体２の長さは、例えば２０〜５０ｍｍに設定され、セラミック体２の直径は例えば３〜５ｍｍに設定される。
なお、セラミック体２として窒化珪素質セラミックスからなるものを用いる場合は、ＭｏＳｉＯ２またはＷＳｉ２等を混合し、分散させることが好ましい。この場合には、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を発熱抵抗体３の熱膨張率に近付けることができ、ヒータ１の耐久性を向上させることができる。
発熱抵抗体３は、セラミック体２の内部に設けられている。発熱抵抗体３はセラミック体２の先端側（一端側）に設けられている。発熱抵抗体３は、電流を流すことによって発熱する部材である。発熱抵抗体３は、セラミック体２の長手方向に沿って伸びる２つの直線部３１と、これら２つの直線部３１を連結する折返し部３２とからなる。発熱抵抗体３の形成材料としては、Ｗ，ＭｏまたはＴｉなどの炭化物、窒化物または珪化物などを主成分とするものを使用することができる。セラミック体２が窒化珪素質セラミックスからなる場合は、セラミック体２との熱膨張率の差が小さい点および高い耐熱性を有する点で、上記の材料の中でも炭化タングステン（ＷＣ）が発熱抵抗体３の材料として優れている。
さらに、セラミック体２が窒化珪素質セラミックスからなる場合は、発熱抵抗体３は、無機導電体のＷＣを主成分とし、これに添加される窒化珪素の含有率が２０質量％以上であるものが好ましい。例えば、窒化珪素質セラミックスからなるセラミック体２中において、発熱抵抗体３となる導体成分は窒化珪素と比較して熱膨張率が大きいため、通常は引張応力がかかった状態にある。これに対して、発熱抵抗体３中に窒化珪素を添加することにより、熱膨張率をセラミック体２のそれに近付けて、ヒータ１の昇温時および降温時の熱膨張率の差による応力を緩和することができる。
また、発熱抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量が４０質量％以下であるときには、発熱抵抗体３の抵抗値のばらつきを小さくさせることができる。従って、発熱抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量は２０質量％〜４０質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は２５質量％〜３５質量％がよい。また、発熱抵抗体３への同様の添加物として、窒化珪素の代わりに窒化硼素を４質量％〜１２質量％添加することもできる。発熱抵抗体３は全長を３〜１５ｍｍ、断面積を０．１５〜０．８ｍｍ２に設定することができる。
図２に示すように、発熱抵抗体３は、横断面で見たときに、径方向で二分された一対の半円状部３３が径方向に沿ってずれた形状によって外周部に少なくとも１つの段差部３４を有している。なお、ここでいう「横断面」とは、発熱抵抗体３の長手方向に対して垂直な平面で切った断面である。特に、ヒータ１においては２つの直線部３１の両方において、大きさの等しい半円状部３３が径方向に沿ってずれた形状になっている。そのため、それぞれの直線部３１の外周部には２つの段差部３４が存在している。このように、発熱抵抗体３が外周部に段差部３４を有していることによって、仮に発熱抵抗体３とセラミック体２との間にクラックが生じて、このクラックが発熱抵抗体３とセラミック体２との界面を周方向に進行しようとしたとしても、段差部３４でクラックの進行を抑制できる。その結果、発熱抵抗体３に生じた熱が基体に伝わりにくくなることを抑制できる。
さらに、ずらす形状を半円状にしておくことによって、発熱抵抗体３の外周部の多くの領域が円弧状になる。そのため、発熱抵抗体３とセラミック体２との間で熱応力による損傷が生じるおそれを低減できる。なお、ここでいう「半円状部３３」とは、円を割ったものに限られない。楕円を割ったものでもよいし、長円を割ったものでもよい。また、歪な円を割ったものであってもよい。また、ここでいう「径方向で二分された」とは、概ね中央で二分されている状態を意味している。２つの半円状部３３の弦の長さが同じ場合には、２つの半円状部３３は、例えば、２０〜１００μｍずらしておくことができる。なお、ここでいう「ずらず」とは、あくまでも発熱抵抗体３の形状を表現するために便宜上用いている表現であって、発熱抵抗体３の製造方法を限定するものではない。すなわち、発熱抵抗体３は２つの部材から成る必要は無く、一体的に形成されていてもよい。発熱抵抗体３を一体的に形成するための方法としては、例えば、射出成型等が挙げられる。
さらに、発熱抵抗体３は、段差部３４がセラミック体２の長手方向に沿って連続している。より具体的には、発熱抵抗体３の２つの直線部３１の全体に２つずつ段差部３４が設けられている。これにより、クラックの進行を広範囲にわたって抑制できる。
さらに、発熱抵抗体３は、折返し部３２の少なくとも内側に段差部３４が位置していることが好ましい。なお、本ヒータ１においては、折返し部３２の内側および外側の両方に段差部３４が位置している。そして、折返し部３２の内側および外側に設けられた段差部３４は、２つの直線部３１に２つずつ設けられた段差部３４と連続している。折返し部３２の内側は熱がこもりやすく特に高温になるので、特に熱応力が生じやすい部分であるが、この部分に段差部３４を設けておくことによって、クラックの進行を有効に抑制することができる。
また、折返し部３２の外側に段差部３４があることによって、発熱抵抗体３のうちセラミック体２の表面に近い領域における表面積を大きくできる。その結果、セラミック体２の表面に熱を伝えやすくできるので、ヒータ１の昇温速度を向上できる。
また、図３に示すように、２つの直線部３１の両方において半円状部３３がずれているとともに、これらの半円状部３３のずれる方向が２つの直線部３１で逆方向になっていてもよい。具体的には、図３のうち左側に位置する直線部３１を第１直線部３１１として、右側に位置する直線部３１を第２直線部３１２としたときに、第１直線部３１１においては、図３中の上側に位置する半円状部３３が左にずれており、下側に位置する半円状部３３が右にずれている。第２直線部３１２においては、図３中の上側に位置する半円状部３３が右にずれており、下側に位置する半円状部３３が左にずれておる。
２つの直線部３１の両方において半円状部３３がずれているとともに、２つの直線部３１における半円状部３３のずれる方向が２つの直線部３１の配列方向であることによって、配列方向において発熱抵抗体３を広く分布させることができる。これによりヒータ１の均熱性を向上させることができる。なお、ここでいう「ずれる方向が２つの直線部３１の配列方向」とは、厳密な意味でずれる方向と配列方向が同じである必要はない。具体的には、配列方向に対して、ずれる方向が３０°程度ずれていても構わない。
さらに、半円状部３３のずれる方向が２つの直線部３１間で逆方向になっていることによって、２つの直線部３１の一方でクラックが生じた際に、このクラックが２つの直線部３１の他方に進行してしまうおそれを低減できる。具体的には、半円状部３３のうち弧状の領域においてクラックが生じた場合には、このクラックは半円状部３３の弧状の部分に沿って進行しやすい傾向にある。そして、弧状の部分に沿って進行したクラックは、段差部３４に到達した後には、弧状の部分の延長線上を進行するおそれがある。図３に示すヒータ１のように、半円状部３３のずれる方向が２つの直線部３１間で逆方向になっている場合には、直線部３１の一方においてクラックが生じるとともに、弧状の部分の延長線上にクラックが進行したとしても、直線部３１の他方の半円状部３３の弧状の部分にクラックが進行しにくい。これは、半円状部３３のずれる方向が逆方向であることによって、一方の直線部の半円状部３３の弧状の部分の延長線上およびその近傍に、他方の直線部３３の弧状の部分が位置しないようにできるためである。
さらに、図４に示すように、２つの直線部３１の両方において半円状部３３がずれているとともに、第１直線部３１１における２つの段差部３４を結ぶ第１仮想線Ｘと、第２直線部３１２における２つの段差部３４を結ぶ第２仮想線Ｙとが、交差していてもよい。これにより、第１直線部３１１における段差部３４においてクラックが生じて段差部３４の直線部分の延長線状に進行したとしても、第２直線部３１２における段差部にまで進行してしまうおそれを低減できる。そのため、２つの直線部３１の間で絶縁破壊が生じるおそれを低減できる。第１仮想線Ｘと第２仮想線Ｙとの交差する角は、例えば、５〜４０°に設定できる。特に、第１仮想線Ｘと第２仮想線Ｙの交差する角は、１５〜３０°が効果的である。
また、図５、６に示すように、半円状部３３が第１領域３３１と第２領域３３２とを有していてもよい。図５、６に示す半円状部３３は、第１領域３３１および第２領域３３２のみから成る。第１領域３３１と第２領域３３２は、それぞれ１／４円状の形状であって、互いに隣接して設けられている。第１領域３３１は、半円状部３３のうちずれた側に位置している領域である。ここでいう１／４円状とは、厳密な意味での１／４円状ではなく、円を１／４に割ったものに限られない。楕円を１／４に割ったものでもよいし、長円を１／４に割ったものでもよい。また、歪な円を１／４割ったものであってもよい。そして、第１領域３３１は、第２領域３３２と比較して曲率半径が小さい。
このように、第１領域３３１と第２領域３３２とで曲率半径を異ならせておくことによって、第１領域３３１の弧の部分から第２領域３３２の弧の部分にかけてクラックを進行しにくくすることができる。さらに、第１領域３３１は、発熱抵抗体３のうち半円状部３３のずれた側に位置している領域である。これにより、特に、応力が集中しやすい段差部３４の先端部分において生じたクラックが弧状の部分に沿って進行することを低減できる。なお、ここでいう段差部３４の先端部分とは、半円状部３３のうち弧状の部分と弦の部分とから成る角の部分を意味している。
また、図６に示すように、２分された半円状部３３の弧の頂部３３３は、半円状部３３がずれた方向にずれて位置していてもよい。発熱抵抗体３のうち、段差部３４および頂部３３３は応力が集中しやすい傾向にある。この頂部３３を２つの半円状部でずらして位置させておくことによって、２つの頂部３３３に応力が生じたときに、この応力が重なり合うことを低減できる。その結果、発熱抵抗体３にクラックが生じるおそれを低減できる。
さらに、図６に示すように、２分された半円状部３３の弧の頂部３３３から、半円状部３３の弦と垂直に交わる仮想線を引いたときに、この仮想線と弦との交わる点を基準点Ｐとする。このとき、基準点Ｐが半円状部３３の弦の中心Ｃよりも、半円状部３３がずれた方向に位置していてもよい。これにより、半円状部３３の弧の形状を頂部３３３を境にして変化させることができるので、クラックの進行を頂部３３３で低減しやすくできる。
また、図７に示すように、異なる大きさの半円状部３３が径方向にずれた結果、段差部３４が１つの直線部３１に１つだけ形成されていてもよい。また、段差部３４が折返し部３２に１つだけ形成されていてもよい。このような場合であっても、段差部３４でクラックの進行を抑制できる。その結果、発熱抵抗体３に生じた熱が基体に伝わりにくくなることを抑制できる。
さらに、図８に示すように、段差部３４の先端部分がＲ形状であってもよい。段差部３４の先端部分をＲ形状にすることによって段差部３４の先端部分に熱応力が集中することを抑制できる。その結果、ヒートサイクル下の長期信頼性を向上できる。Ｒ形状の大きさとしては、例えば、曲率半径を１０〜１００μｍに設定できる。
図１に戻って、リード４は、発熱抵抗体３と外部の電源とを電気的に接続するための部材である。リード４は、発熱抵抗体３に接続されるとともにセラミック体２の表面に引き出されている。具体的には、発熱抵抗体３の両端部にそれぞれリード４が接合されていて、一方のリード４は、一端側で発熱抵抗体３の一端に接続され、他端側でセラミック体２の後端寄りの側面から導出され、他方のリード４は、一端側で発熱抵抗体３の他端に接続され、他端側でセラミック体２の後端部から導出されている。
このリード４は、例えば、発熱抵抗体３と同様の材料を用いて形成される。リード４は、発熱抵抗体３よりも断面積を大きくしたり、セラミック体２の形成材料の含有量を発熱抵抗体３よりも少なくしたりすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が低くなっている。特に、ＷＣが、セラミック体２との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、リード４の材料として好適である。また、リード４は無機導電体であるＷＣを主成分とし、これに窒化珪素を含有量が１５質量％以上となるように添加することが好ましい。窒化珪素の含有量が増すにつれて、リード４の熱膨張率を、セラミック体２を構成する窒化珪素の熱膨張率に近付けることができる。また、窒化珪素の含有量が４０質量％以下であるときには、リード４の抵抗値が低くなるとともに安定する。従って、窒化珪素の含有量は１５質量％〜４０質量％が好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は２０質量％〜３５質量％とするのがよい。
図９に示すように、グロープラグ１０は、上述のヒータ１と、ヒータ１の後端側（他端側）を覆うように取り付けられた筒状の金属筒５とを備えている。また、金属筒５の内側に配置されてヒータ１の後端に取り付けられた電極金具６を備えている。グロープラグ１０によれば、上述のヒータ１を使用していることから、発熱抵抗体とセラミック体との界面におけるクラックの進行が抑制されていることから、耐久性を向上させることが可能となる。
金属筒５は、セラミック体２を保持するための部材である。金属筒５は、筒状の部材であって、セラミック体２の後端側を囲むように取り付けられている。すなわち、筒状の金属筒５の内側に棒状のセラミック体２が挿入されている。金属筒５は、セラミック体２の後端側の側面に設けられてリード４が露出している部分に電気的に接続されている。金属筒５は、例えば、ステンレスまたは鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金からなる。
金属筒５とセラミック体２とは、ろう材によって接合されている。ろう材は、金属筒５とセラミック体２との間にセラミック体２の後端側を囲むように設けられている。このろう材が設けられていることによって、金属筒５とリード４とが電気的に接続されている。
ろう材としては、ガラス成分を５〜２０質量％含んだ銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）ろう、ＡｇろうまたはＣｕろう等を用いることができる。ガラス成分はセラミック体２のセラミックスとの濡れ性が良く、摩擦係数が大きいために、ろう材とセラミック体２との接合強度またはろう材と金属筒５との接合強度を向上させることができる。
電極金具６は、金属筒５の内側に位置してセラミック体２の後端にリード４に電気的に接続するように取り付けられている。電極金具６は、種々の形態のものを用いることができるが、図９に示す例では、セラミック体２の後端にリード４を含んで被さるように取り付けられるキャップ部と外部の接続電極に電気的に接続されるコイル状部とが線状部で接続された構成である。この電極金具６は、金属筒５との間で短絡が生じないように金属筒５の内周面から離れて保持されている。
電極金具６は、外部の電源との接続における応力緩和のために設けられたコイル状部を有する金属線である。電極金具６は、リード４に電気的に接続されるとともに、外部の電源と電気的に接続される。外部の電源によって金属筒５と電極金具６との間に電圧を加えることによって、金属筒５および電極金具６を介して発熱抵抗体３に電流を流すことができる。電極金具６は、例えばニッケルまたはステンレスからなる。
次に、ヒータ１の製造方法の一例について説明する。
ヒータ１は、例えば、上記構成の発熱抵抗体３、リード４およびセラミック体２の形状の金型を用いた射出成形法等によって形成することができる。発熱抵抗体３に関しては、まず、断面が半円形状であって、直線部と折返し部とを有する成形体を２つ準備する。そして、半円状部が径方向にずれるように２つの成形体を重ね合わせた後に、圧力をかけながら焼成する。これにより、半円状部が径方向にずれた発熱抵抗体３を得ることができる。
まず、導電性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含む、発熱抵抗体３およびリード４となる導電性ペーストを作製するとともに、絶縁性セラミック粉末および樹脂バインダー等を含むセラミック体２となるセラミックペーストを作製する。
次に、導電性ペーストを用いて射出成形法によって発熱抵抗体３となる所定パターンの導電性ペーストの成形体を形成する。このとき、所望の形状の金型を準備しておくことによって、段差部３４を有する発熱抵抗体３を形成できる。そして、発熱抵抗体３を金型内に保持した状態で、導電性ペーストを金型内に充填してリード４となる所定パターンの導電性ペーストの成形体を形成する。
次に、金型内に発熱抵抗体３およびリード４の一部を保持した状態で、金型の一部をセラミック体２の成形用のものに取り替えた後、金型内にセラミック体２となるセラミックペーストを充填する。これにより、発熱抵抗体３およびリード４がセラミックペーストの成形体で覆われたヒータ１の成形体が得られる。
次に、得られた成形体を例えば１６５０℃〜１７８０℃の温度および３０ＭＰａ〜５０ＭＰａの圧力で焼成することにより、ヒータ１を作製することができる。なお、焼成は、成型体をカーボン型に入れて行い、カーボン型の中にカーボン粉末を充填することによって大気中の酸素の影響を低減して行なうことが好ましい。また、窒素ガスや水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で焼成を行なってもよい。
１：ヒータ
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
３１：直線部
３２：折返し部
３３：半円状部
３４：段差部
４：リード
５：金属筒
６：電極金具
１０：グロープラグ
２：セラミック体
３：発熱抵抗体
３１：直線部
３２：折返し部
３３：半円状部
３４：段差部
４：リード
５：金属筒
６：電極金具
１０：グロープラグ
Claims (12)
- 棒状のセラミック体と、該セラミック体の内部に設けられた発熱抵抗体とを備えており、該発熱抵抗体は、横断面で見たときに、径方向で二分された半円状部が前記径方向に沿ってずれた形状によって外周部に少なくとも１つの段差部を有するヒータ。
- 前記発熱抵抗体は、前記段差部が長手方向に連続している請求項１に記載のヒータ。
- 前記発熱抵抗体は、折返し部を有しているとともに、該折返し部分の内側に前記段差部が位置している請求項１または請求項２に記載のヒータ。
- 前記発熱抵抗体は、前記段差部の先端部分がＲ形状である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヒータ。
- 前記発熱抵抗体が前記セラミック体の長手方向に沿って伸びる２つの直線部と、前記２つの直線部を連結する折返し部を有しており、
前記２つの直線部の両方において前記半円状部がずれているとともに、前記２つの直線部における前記半円状部のずれる方向が前記２つの直線部の配列方向である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のヒータ。 - 前記半円状部のずれる方向が前記２つの直線部間で逆方向になっている請求項５に記載のヒータ。
- 前記発熱抵抗体が前記セラミック体の長手方向に沿って伸びる第１直線部および第２直線部と、前記第１直線部および前記第２直線部を連結する折返し部を有しており、
前記第１直線部は前記段差部を２つ有しており、前記第１直線部の前記２つの段差部を結ぶ仮想線を第１仮想線とし、
前記第２直線部は前記段差部を２つ有しており、前記第２直線部の前記２つの段差部を結ぶ仮想線を第２仮想線としたときに、
前記第１仮想線と前記第２仮想線とが交差している請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のヒータ。 - 前記半円状部が、それぞれ１／４円状の第１領域および第２領域を有するとともに、前記第１領域は前記第２領域と比較して曲率半径が小さい請求項１乃至請求項７に記載のヒータ。
- 前記第１領域が、前記発熱抵抗体のうち前記半円状部のずれた側に位置している領域である請求項８に記載のヒータ。
- 前記２分された半円状部それぞれの弧の頂部が、前記半円状部がずれた方向にずれて位置している請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のヒータ。
- 前記半円状部の弧の頂部から前記半円状部の弦と垂直に交わる仮想線を引き、前記仮想線と前記半円状部の弦との交わる点を基準点としたときに、前記基準点が前記半円状部の弦の中心よりも、前記半円状部がずれた側に位置している請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のヒータ・
- 請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のヒータであって前記発熱抵抗体が前記セラミック体の一端側に位置しているヒータと、前記セラミック体の他端側を覆うように取り付けられた金属筒とを備えたグロープラグ。
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